专利名称：一种激光冲击和微弧氧化结合的小孔强化方法
技术领域：
本发明涉及激光加工和电化学表面处理领域，提供一种激光冲击和微弧氧化相结合对小孔进行强化的方法。在小孔加工前，对需要开孔的金属板件进行激光冲击强化；开孔后，对孔内壁表面进行微弧氧化。
背景技术：
在航空制造业中，飞机上的小孔是常见的局部应力集中部位，在交变载荷作用下极易产生疲劳裂纹，从而导致整机的安全性、可靠性和使用寿命大大降低。为了提高小孔的疲劳寿命，通常需对其进行强化处理。但是由于受孔径尺寸的限制，冷挤压和喷丸强化等技术根本无法实施。因此，探索小孔强化新技术是一项重要课题。微弧氧化技术是一种新兴的材料表面处理技术，应用该技术可以在铝、镁、钛等金属或其合金表面原位生长一层陶瓷薄膜。通过对工艺过程进行控制，可以使生成的陶瓷薄膜具有优异的耐磨、耐热和抗腐蚀性能，较高的硬度和绝缘性能，改变材料的表面状态(如应力分布)，提高材料的抗疲劳寿命，弥补激光冲击强化的不足。专利申请号为201110448751.6的发明专利，发明提出了先采用大光斑大能量的激光对金属板件待开孔表面进行强化，再用小光斑小能量的激光对金属板件待开孔位置四周的表面进行二次强化，最后进行孔加工。该方法能使金属板件孔壁较深处取得残余压应力，但残余应力分布和应力性质随工艺因素的影响较大，仍可能会产生有害的残余拉应力的存在，影响材料的抗疲劳寿命。
发明内容
本发明提供一种激光冲击和微弧氧化相结合对小孔进行强化的方法，克服了激光冲击强化方法对小孔构件强化的局限性，解决了孔壁较深处残余应力分布和应力性质随工艺因素的影响较大和不稳定，甚至广生有害的残余拉应力等问题，大幅度提闻材料的抗疲劳寿命。该方法即先采用激光对需要开孔的金属板料进行激光冲击强化，然后进行孔加工，最后对开好的小孔内壁表面进行微弧氧化处理，使孔获得较高的抗疲劳、抗腐蚀性能。本发明的具体步骤是
A)对金属板料进行预处理，在其要开孔部位贴上能量吸收层，在能量吸收层外贴上约束层，用夹具将金属板件固定在数控工作台上；
B)调节激光器的参数，并编程控制数控工作台的运动路径，对金属板件单面或双面待开孔部位进行激光冲击强化；
C)对金属板件预定位置进行开孔；
D)对开好的小孔的内壁表面进行预处理；
E)将阴极放入小孔中，调整使阴极与小孔轴线重合，阳极即为开孔的金属板；
F)通入电解液，电解液通过小孔循环流动；G)接通电源，在电极的作用下，在小孔内壁表面形成均匀的陶瓷层；
H)微弧氧化结束后，对小孔进行后处理。本发明的优点是
I)克服小孔孔径尺寸的限制，特别是Φ5mm以下小孔构件的强化。2)采用两种强化方法相结合，弥补了单一激光冲击强化方法的不足，不仅使金属板料小孔从表面到内壁较深处都获得了较好的残余压应力，而且在小孔内壁表面形成了均匀的各项性能优异的陶瓷层，这样小孔就获得了较高的抗疲劳、抗腐蚀性能。
图1激光冲击强化示意图。图2激光冲击强化大小光斑及小孔位置分布示意图。图3微弧氧化示意图。图中标记1、金属板料，2、铝箔(吸收层)，3水(约束层)，4、激光束，5、大光斑，6、小光斑，7、小孔，8、电源，9、阴极，10、电解液。
具体实施例方式下面对本发明做进一步详细说明。具体步骤如下
1)对金属板料I的表面进行预处理，在其要开孔部位贴上铝箔2、黑漆等作为能量吸收层，在能量吸收层外贴上合成树脂、有机玻璃等作为约束层，或使用水3作为约束层，使水3匀速流过能量吸收层表面。用夹具将金属板件固定在数控工作台上；
2)调节激光器的参数至半径为5 12mm的大光斑5、1(T60J的大能量，并编程控制数控工作台的运动路径，对金属板件待开孔部位进行一次或二次以上激光冲击强化；
3)强化完成后调节激光器的参数至半径为2飞mm的小光斑6、f15J小能量，通过编程控制数控工作台的运行路径，使激光的冲击过程绕待开小孔位置一周，且小光斑呈多点搭接分布，对金属板件表面进行二次强化；
4)强化完成后对金属板件I进行后处理；
5)用钻床对金属板件预定位置进行开孔；
6)对开好的小孔7的内壁表面进行预处理，主要是先去油，然后水洗；
7)将阴极9，即不锈钢丝放入小孔中，调整使阴极与小孔7轴线重合，而阳极即为开孔的金属板件I，接入电源8，电源8处于断开状态；
8)通入Na2SiO3电解液10,电解液10通过小孔循环流动，电解液10的循环一是为了使反应过程中的气体容易排出，易于散热；二是为了回收多次利用。9)接通电源8，电解液工作电压为400V 750V，液体不同，工件电流密度不同，大约为每平方分米O. OfO. 1A。在电极的作用下，在小孔7内壁表面形成均匀的陶瓷层，时间越长，膜层越致密，但粗糙度也增加；
10)微弧氧化结束后，停止工作电源8，对小孔7进行的后处理，主要是纯水洗。实施例对5_厚金属板件，孔径大小为2. 6mm的小孔进行强化。将金属板料的表面进行预处理，在其待开孔部位贴上铝箔作为能量吸收层，使用水作为约束层，使水匀速流过铝箔表面。用夹具将金属板件固定在数控工作台上。对数控工作台的运行路径进行编程，以使激光器刚好可以对金属板件的待开孔部位进行强化。调节激光器的参数至大光斑大能量，具体参数如下光斑直径7. 8mm，能量为10G，脉冲宽度20. 1ns，波长1. 054 μ m。控制激光器对金属板件预定位置进行激光冲击。通过编程控制数控工作台的工作路径，使激光器可以绕小孔四周进行，且小光斑呈多点搭接分布。然后调节激光器的参数至小光斑小能量，其具体参数如下光斑直径1mm，能量为2G，脉冲宽度20. 1ns，波长1. 054 μ m。使水匀速流过铝箔表面，控制激光器对待开小孔预留位置四周进行二次激光冲击强化，总共冲击23点，本不例中米取彳合接率为50 %。冲击完成后将金属板件进彳了打孔，孔径大小为2. 6mm。然后对小孔的内壁表面进行预处理，主要是去油和水洗。将阴极，即不锈钢细棒放入小孔中，调整微弧氧化装置使阴极与小孔轴 线重合，而阳极即为开孔的金属板，接入电源，此时电源处于断开状态；对小孔通入电解液，电解液通过小孔循环流动。接通电源，在电极的作用下，在小孔内壁表面形成均匀的陶瓷层；微弧氧化结束后，停止工作电源，对小孔进行的后处理，主要是纯水洗。
权利要求
1.一种激光冲击和微弧氧化结合的小孔强化方法，其特征在于，采用激光冲击和微弧氧化相结合的方法于小孔加工前后对金属板件和孔壁表面进行强化；其具体步骤为 A)对金属板料进行预处理，在金属板料要开孔部位贴上能量吸收层，在能量吸收层外贴上约束层，用夹具将金属板件固定在数控工作台上； B)调节激光器的参数，并编程控制数控工作台的运动路径，对金属板件单面或双面待开孔部位进行激光冲击强化； C)对金属板件预定位置进行开孔； D)对开好的小孔的内壁表面进行预处理； E)将阴极放入小孔中，调整使阴极与小孔轴线重合，阳极即为开孔的金属板； F)通入电解液，电解液通过小孔循环流动； G)接通电源，在电极的作用下，在小孔内壁表面形成均匀的陶瓷层； H)微弧氧化结束后，对小孔进行后处理。
2.根据权利要求1所述的一种激光冲击和微弧氧化结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤B)中，所述对金属板件单面或双面待开孔部位进行激光冲击强化过程为，先用大光斑激光对金属板件待开孔部位进行一次或二次以上激光冲击强化，再用小光斑激光绕待开小孔位置一周，且小光斑呈多点搭接分布，对金属板件表面进行二次强化。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光冲击和微弧氧化结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤A)中，吸收层使用铝箔、黑漆或黑胶带。
4.根据权利要求1或2所述的一种激光冲击和微弧氧化结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤A)中，约束层使用水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂。
5.根据权利要求1或2所述的一种激光冲击和微弧氧化结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤F)中，电解液为Na2SiO3电解液。
6.根据权利要求1或2所述的一种激光冲击和微弧氧化结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤D)中，预处理为先去油，然后水洗。
7.根据权利要求1或2所述的一种激光冲击和微弧氧化结合的小孔强化方法，其特征在于，所述步骤H)中，后处理为水洗。
全文摘要
本发明涉及激光加工和电化学表面处理领域，提供一种采用激光冲击和微弧氧化相结合对小孔进行强化的方法。本发明即先对需要开孔的金属板料进行激光冲击强化，然后进行孔加工，最后对开好的小孔内壁表面进行微弧氧化处理。本发明克服了传统强化方法受孔径尺寸限制的缺点，特别是针对直径5mm以下的小孔。对小孔内壁表面所进行的微弧氧化处理，弥补了金属板料进行激光冲击强化中的不足，显著提高了小孔构件的抗疲劳等性能。
文档编号C25D11/02GK103014803SQ20121058197
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者姜银方, 赵龑, 汪建敏, 姜文帆 申请人:江苏大学